5. Вероятные метаболические пути для микроорганизмов Гесперийского Марса
Исходя из характеристик окружающей среды Гесперийского Марса, можно выделить несколько ключевых микробных метаболизмов, которые могли бы активно потреблять атмосферный углекислый газ и влиять на климат планеты.
Подробный процесс: Метаногены — это микроорганизмы (археи), которые используют водород (H2) в качестве основного источника энергии (донора электронов) и углекислый газ (CO2) в качестве источника углерода и конечного акцептора электронов.27 Наиболее распространенная реакция: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O. 28 Они отличаются от метанотрофов, которые потребляют метан.28
Экологическая совместимость с Марсом:
Анаэробная природа: Метаногены являются строгими анаэробами 27, что делает их идеальными кандидатами для жизни в бескислородных подповерхностных слоях Марса или защищенных нишах, где отсутствует кислород.
Потребности в питательных веществах: Они не требуют органических питательных веществ и не являются фотосинтетиками 27, что означает, что они не зависят от солнечного света или существующей органической материи, которая была бы дефицитной на раннем Марсе.
Температурная толерантность: Исследования показали, что метаногены могут выживать и даже процветать в экстремальных условиях, включая циклы замерзания-оттаивания на Марсе и широкий диапазон температур (от 0°C до 100°C), возобновляя рост при благоприятных температурах.27 Они встречаются в различных экстремальных средах на Земле, таких как глубокие озера, торфяные болота и даже под ледниками и в горячих сухих пустынных почвах.28
Доступность субстратов: CO2 был в изобилии в ранней марсианской атмосфере.5 Водород (H2) мог непрерывно генерироваться посредством серпентинизации, гидротермального изменения богатых железом пород, обильных на Марсе.5
Потенциальное атмосферное воздействие:
Прямое потребление CO2: Метаногенез непосредственно удаляет CO2 из атмосферной или растворенной фазы в качестве реагента.
Потребление водорода: Важно отметить, что метаногены потребляют H2, который идентифицируется как мощный парниковый газ, способствовавший эпизодическому потеплению на раннем Марсе.12 Потребляя H2, эти микробы уменьшали бы способность планеты к потеплению.
Производство и судьба метана: Хотя метан (CH4) является парниковым газом на Земле, на Марсе он нестабилен в атмосфере и быстро фотолизируется обратно в CO2 (срок жизни < 1 тыс. лет).5 Это означает, что микробиально произведенный метан не накапливался бы значительно в качестве долгосрочного атмосферного парникового газа, и его углерод в конечном итоге возвращался бы в CO2. Однако метан мог бы секвестрироваться в марсианской коре, особенно в смектитовых глинах.6
Климатическая обратная связь: Исследования климатического моделирования показывают, что древние марсианские микробы, потребляя водород (мощный парниковый газ) и производя метан (менее мощный на Марсе), могли «проесть теплоудерживающее одеяло своей планеты», что привело к резкому падению температуры. Это вынудило бы жизнь уйти глубже в более теплую кору или привело бы к ее вымиранию.13
Правдоподобие на Марсе: Высокое. Метаногены считаются сильными кандидатами на прошлую или настоящую жизнь на Марсе из-за их метаболических потребностей, анаэробной природы и продемонстрированной устойчивости в марсианских условиях.18 Обнаружение шлейфов метана на Марсе, хотя и спорное по происхождению (биотическое или абиотическое), еще больше подогревает интерес к этому пути.13 Саморазрушающаяся обратная связь, описанная для метаногенов 13, является глубоким выводом. Если бы ранняя марсианская жизнь потребляла те самые газы (H2 и CO2), которые поддерживали пригодный для жизни климат, она бы активно толкала планету к более холодному, менее гостеприимному состоянию. Это вынудило бы любую выжившую жизнь отступить в стабильные подповерхностные среды, потенциально объясняя текущее отсутствие обитаемости поверхности. Переходный характер атмосферного метана 5 означает, что потребление H2 является основным атмосферным воздействием, в то время как углерод из CO2 превращается в CH4, который затем либо фотолизируется обратно в CO2, либо секвестрируется в коре.6 Эта секвестрация, будь то абиотическая или усиленная микробами, является ключом к постоянному удалению углерода из атмосферы.
Подробный процесс: Ацетогены — это анаэробные микроорганизмы, которые используют углекислый газ (CO2) в качестве акцептора электронов и источника углерода, обычно с водородом (H2) в качестве донора электронов, для производства уксусной кислоты (ацетата) по пути Вуда-Льюнгдаля.22
Экологическая совместимость с Марсом:
Анаэробная природа: Ацетогены процветают в бескислородных условиях 31, что делает их подходящими для марсианской подповерхности.
Доступность субстратов: Как и метаногены, они зависят от CO2 и H2, оба из которых, вероятно, были доступны на Гесперийском Марсе благодаря атмосферному присутствию и серпентинизации.5
Сосуществование: Ацетогены могут успешно сосуществовать с другими анаэробными метаболизмами, такими как сульфатредукция и метаногенез, даже если эти пути предлагают несколько более благоприятные энергетические выходы.31 Они демонстрируют широкий спектр субстратов, что позволяет дифференцировать ниши.31
Потенциальное атмосферное воздействие:
Прямое потребление CO2: Ацетогенез непосредственно потребляет CO2 из окружающей среды.
Секвестрация углерода: В отличие от метаногенеза, который производит газообразный продукт (CH4), который может повторно поступать в атмосферу (даже если временно), ацетогенез производит ацетат, негазообразное органическое соединение. Это означает, что углерод из CO2 непосредственно фиксируется в жидкой или твердой форме, представляя собой более постоянное удаление из атмосферной газовой фазы. Это может значительно способствовать долгосрочной секвестрации углерода в литосфере.
Правдоподобие на Марсе: Высокое. Ацетогенез считается правдоподобным метаболизмом для глубоких подповерхностных микробных сообществ на Марсе, движимым геохимическими источниками энергии.18 Ацетогенез предлагает более прямой и потенциально более постоянный механизм удаления атмосферного CO2 по сравнению с газообразным продуктом метаногенеза. Превращение CO2 в твердое или растворенное органическое соединение (ацетат) означает, что углерод немедленно секвестрируется из атмосферы. Следовательно, этот путь является очень сильным кандидатом для содействия долгосрочному поглощению CO2, особенно в сочетании с геологическим потенциалом секвестрации смектитовых глин. Сосуществование с метаногенами 31 предполагает разнообразное микробное сообщество, коллективно влияющее на углеродный цикл.
Сульфатредукция (как CO2-фиксирующие автотрофы)
Подробный процесс: Сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) используют сульфат (SO42-) в качестве конечного акцептора электронов, восстанавливая его до сульфида.18 Этот процесс обычно подпитывается донорами электронов, такими как водород или органические соединения.18 Многие СРБ также являются хемолитоавтотрофами, что означает, что они фиксируют CO2 в качестве основного источника углерода для синтеза биомассы.18
Экологическая совместимость с Марсом:
Анаэробная: СРБ являются анаэробами 21, что соответствует подповерхностной марсианской среде.
Обилие серы: Марс — планета, богатая S, с более высоким содержанием серы на поверхности, чем Земля, в основном в форме сульфатов (Ca/Mg/Fe-сульфатов).14 Вулканическая дегазация также высвобождала SO2 и H2S 4, которые могут окисляться до сульфата. Считается, что марсианский серный цикл доминировал в его геохимической истории.17
Совместимость с водой: СРБ могут функционировать в рассолах и подповерхностных водах.32 Некоторые виды показали выживание в условиях, имитирующих мелководные подповерхностные слои Марса 32, с признаками осаждения сульфида железа.32
Аналогия с ранней Землей: Считается, что сульфатредукция была одной из самых ранних форм дыхания на Земле, датируемой примерно 3,47 миллиарда лет назад 32, что делает ее обоснованной системой для рассмотрения на древнем Марсе.
Потенциальное атмосферное воздействие:
Косвенная фиксация CO2: Хотя автотрофная сульфатредукция не потребляет непосредственно атмосферный CO2 в качестве акцептора электронов для производства нового газа, она фиксирует CO2 в биомассу. Этот процесс удаляет CO2 из растворенной фазы и секвестрирует его в органической материи, которая затем может быть захоронена в отложениях. Это способствует общей секвестрации углерода из атмосферно-гидросферной системы.
Правдоподобие на Марсе: Высокое. Учитывая высокое содержание серы и сульфатов на Марсе, а также анаэробную природу подповерхности, сульфатредукция является весьма правдоподобным метаболическим путем.18 Распространенность серы на Марсе 14 делает сульфатредукцию очень сильным кандидатом на доминирующий метаболический путь. Ее способность фиксировать CO2 в биомассу, пусть и косвенно, способствует общей секвестрации углерода из атмосферы. Образование сульфидов железа 32 обеспечивает потенциальную биосигнатуру для этого процесса. Это подчеркивает, что несколько анаэробных хемолитоавтотрофных путей могли сосуществовать и коллективно способствовать поглощению атмосферного CO2 путем преобразования его в твердые органические или минеральные формы.
Рассмотрение других соответствующих хемолитотрофных путей
Другие хемолитотрофные пути, такие как окисление водорода, окисление/восстановление железа, окисление/восстановление марганца и восстановление нитратов 18, также могли присутствовать. Хотя они, возможно, не потребляли бы напрямую большое количество CO2 из атмосферы, они способствовали бы общим окислительно-восстановительным градиентам и потоку энергии в подповерхностной микробной экосистеме, поддерживая более широкую обитаемость и круговорот элементов, необходимых для жизни. Их косвенный вклад в круговорот углерода через производство биомассы также был бы актуален.
Ниже представлен сравнительный анализ наиболее вероятных метаболических путей, способных потреблять CO2 в условиях Гесперийского Марса, с учетом их воздействия на атмосферу.
(Метаболический путь
Ключевые реагенты (донор электронов, источник углерода, акцептор электронов)
Потенциальное атмосферное воздействие (поглощение CO2, изменение других газов)))
H2 (донор электронов), CO2 (источник углерода/акцептор электронов).27
Прямое потребление CO2. Потребление H2 (мощный парниковый газ) приводит к охлаждению.13 Произведенный CH4 является временным, фотолизируется обратно в CO2 5; может секвестрироваться в глинах.6
H2 (донор электронов), CO2 (источник углерода/акцептор электронов).22
Уксусная кислота (ацетат).22
Прямое потребление CO2. Углерод секвестрируется в негазообразной форме (ацетат), обеспечивая более постоянное удаление из атмосферы.
Сульфатредукция (как CO2-фиксирующие автотрофы)
Органические соединения/H2 (донор электронов), Сульфат (акцептор электронов), CO2 (источник углерода для биомассы).18
Высокое 18, учитывая богатую S среду.
Косвенная фиксация CO2 в биомассу, способствующая секвестрации углерода в твердой органической материи.
6. Механизм потери атмосферы: Микробная активность и геохимическая секвестрация
Потеря значительной части ранней марсианской атмосферы является одной из самых больших загадок планетарной науки. Предложенная гипотеза предполагает, что микробная активность могла сыграть решающую роль в этом процессе, действуя в синергии с геохимическими механизмами.
Прямое потребление CO2 и снижение атмосферного давления
Устойчивое микробное потребление атмосферного CO2, особенно метаногенами и ацетогенами, напрямую снизило бы парциальное давление CO2 в марсианской атмосфере. Если бы скорость биологического потребления CO2 превышала скорость пополнения CO2 из геологических источников (например, вулканизма, дегазации), это привело бы к чистому снижению плотности и давления атмосферы. Прямое потребление CO2 микробами (в качестве источника углерода или акцептора электронов) фундаментально изменяет атмосферную массу. Это прямой, биологически обусловленный механизм истончения атмосферы. В сочетании с потреблением других парниковых газов, таких как H2, это устанавливает микробы в качестве основного движущего фактора изменения климата, а не просто реагирующего на него. Это напрямую затрагивает суть гипотезы.
Роль секвестрации CO2 в марсианской литосфере
Одна только атмосферная утечка не может объяснить значительную потерю ранней атмосферы Марса, состоящей из CO2 (от 0,25 до 4 бар).5 Это указывает на то, что существенная часть недостающего углерода была секвестрирована в марсианской литосфере. Недавние исследования показывают, что значительная часть первоначального CO2 Марса могла быть заперта в виде органических соединений в богатой глинами коре планеты.6
Смектитовые глины как ловушки углерода: Смектит, тип поверхностных глинистых минералов, обильно встречающийся на Марсе, является высокоэффективной ловушкой для углерода. В его складчатой структуре углерод может оставаться нетронутым миллиарды лет. По оценкам, смектитовые глины Марса могут удерживать до 1,7 бар эквивалента CO2, потенциально составляя около 80% первоначальной атмосферы планеты.6
Механизм секвестрации: Этот геологический процесс секвестрации включает просачивание воды через кору и ее реакцию с оливином (минералом, богатым железом(II)). Эта реакция окисляет железо до Fe(III), высвобождая водород (H2). Затем этот свободный водород соединяется с углекислым газом (CO2) в воде, образуя метан (CH4). По мере протекания этой реакции оливин превращается в серпентин, который затем реагирует с водой, образуя смектит. Затем смектит секвестрирует метан.6
Микробное усиление/взаимодействие: Хотя этот механизм секвестрации смектитом описывается как абиотический 6, микробный метаногенез (который потребляет H2 и CO2 для производства CH4) 27 непосредственно производил бы метан, который затем мог бы секвестрироваться в этих глинах.6 Это создает мощный синергетический путь: жизнь активно преобразует атмосферный CO2 в форму (метан), которая затем эффективно и постоянно удаляется из атмосферы посредством геологической секвестрации. Это превращает чисто абиотическую гипотезу секвестрации в биогеохимическую.
Открытие смектитовых глин как основного поглотителя углерода 6 является критическим элементом головоломки исчезнувшей атмосферы Марса. Тот факт, что этот абиотический процесс производит метан, обеспечивает прямую связь с предлагаемой микробной активностью. Если бы метаногены были активны, они бы эффективно ускорили превращение атмосферного CO2 в метан, который мог бы быть захвачен в обильных смектитовых глинах. Это предлагает убедительное, интегрированное объяснение того, как большая часть ранней атмосферы Марса, состоящей из CO2, могла быть удалена из газовой фазы и сохранена в коре, потенциально облегченная или усиленная ранней жизнью.
Взаимодействие с атмосферной химией и петли обратной связи климата
Утечка водорода и окисление планеты: Водород является самым легким газом и наиболее подвержен атмосферной утечке.33 Его утечка приводит к окислению поверхности планеты.33 Если бы микробы потребляли H2, они уменьшили бы его атмосферную концентрацию, потенциально влияя на скорость его утечки, но, что более важно, напрямую удаляя мощный парниковый газ. Общий эффект утечки водорода, будь то в результате фотолиза воды или разложения метана 33, заключается в окислении планеты.
Фотолиз метана и рециркуляция: Хотя микробный метаногенез производит CH4, метан на Марсе фотохимически нестабилен и быстро распадается, превращаясь обратно в CO2 примерно в течение 1000 лет.5 Это означает, что сам атмосферный метан не является долгосрочным поглотителем углерода, если он не секвестрируется быстро в подповерхности.6 Однако
потребление H2 метаногенами оказывает прямое и значительное охлаждающее воздействие.13
Охлаждение климата и истончение атмосферы: Потеря восстановительных газов (H2, CH4) и общее окисление марсианской атмосферы способствовали охлаждению климата.15 Это охлаждение еще больше усугубило бы истончение атмосферы, вызывая конденсацию и замерзание CO2 на полюсах, уменьшая общую массу атмосферы.
Взаимодействие между микробным метаболизмом, атмосферной химией и климатом образует сложную петлю обратной связи. Микробное потребление H2 и CO2 напрямую снижает парниковое потепление. Последующее охлаждение приводит к дальнейшей потере атмосферы (замерзание CO2). Хотя метан, производимый микробами, может возвращать свой углерод в CO2 в атмосферу, водород потребляется, способствуя общему окислению планеты.33 Это предполагает, что микробная активность, даже если изначально процветающая, могла непреднамеренно вызвать каскад событий, которые сделали поверхность непригодной для жизни, вынудив жизнь уйти в глубокие подповерхностные убежища и способствуя нынешнему холодному, сухому состоянию планеты. Это рисует картину жизни, действующей как мощная, хотя и потенциально самоограничивающаяся, геобиологическая сила.
7. Заключение: Синтез марсианской микробной гипотезы
Комплексный анализ условий Гесперийского Марса и известных микробных метаболизмов позволяет сделать вывод, что анаэробные хемолитоавтотрофы являются наиболее правдоподобными кандидатами для предлагаемого потребления атмосферного CO2. В частности, метаногенез и ацетогенез очень совместимы с геохимией планеты, включая обилие CO2 и геологически генерируемого водорода, а также преобладание подповерхностных, бескислородных сред. Сульфатредукция, хотя и является в первую очередь путем акцептора электронов, также способствует фиксации CO2 в биомассу и весьма правдоподобна, учитывая богатую серой природу Марса.
Потенциальное влияние на эволюцию атмосферы:
Метаногены: Потребляя атмосферный CO2 и мощный парниковый газ H2, метаногены могли напрямую способствовать глобальному похолоданию. Это снижение парникового эффекта привело бы к дальнейшему истончению атмосферы (например, конденсации CO2) и вынудило бы жизнь уйти в более глубокие, теплые подповерхностные ниши. Произведенный метан, хотя и временный в атмосфере, мог быть секвестрирован в коре.
Ацетогены: Эти микробы предлагают путь для более прямой и постоянной секвестрации углерода. Превращая газообразный CO2 в негазообразный ацетат, они способствовали бы удалению углерода из атмосферного резервуара в литосферу.
Синергия геохимической секвестрации: Обнаружение широко распространенных смектитовых глин на Марсе, способных секвестрировать большое количество метана (полученного из CO2 и H2), обеспечивает убедительный механизм крупномасштабного удаления атмосферного углерода. Этот абиотический процесс мог быть значительно усилен или облегчен микробным метаногенезом, создавая мощный биогеохимический поглотитель углерода.
Представленная гипотеза включает сложные биогеохимические петли обратной связи, где ранняя марсианская жизнь, следуя своему метаболическому императиву, могла непреднамеренно вызвать каскад экологических изменений, которые привели к истончению атмосферы и охлаждению климата. Это подчеркивает глубокую способность жизни действовать как планетарная геологическая сила.
Дальнейшие исследования имеют решающее значение для проверки и уточнения этой гипотезы. Ключевые области для будущих исследований включают:
Более точное датирование и характеристика атмосферных условий Гесперия и эволюции климата.
Детальные исследования геохимии марсианской подповерхности для количественной оценки потенциальных источников H2 и окислительно-восстановительных градиентов.
Продолжение усилий по пониманию происхождения, обилия и судьбы метана в марсианской атмосфере и подповерхности, различая биотические и абиотические источники.
Окончательное подтверждение будет получено в ходе будущих миссий по возврату образцов, которые могли бы проанализировать древние марсианские породы на предмет специфических биосигнатур, указывающих на эти предлагаемые метаболизмы (например, паттерны изотопного фракционирования углерода или серы, специфические органические соединения, такие как ацетат, или окаменевшие микробные структуры в смектитовых глинах).
www.nasa.gov, https://www.nasa.gov/solar-system/nasa-funded-study-extends-period-when-mars-could-have-supported-life/#:~:text=The%20late%20Noachian%20period%20(from,flowing%20water%20%E2%80%94%20at%20this%20age.
Life on Mars - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Life_on_Mars
The Geography of Mars - California State University, Long Beach, https://home.csulb.edu/~rodrigue/geog441541/lectures/final/3rdhesperian.html
Hesperian - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Hesperian
Olivine alteration and the loss of Mars' early atmospheric carbon - PMC - PubMed Central, accessed on June 18, 2025, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11423889/
Mars' missing atmosphere could be hiding in plain sight | MIT News, https://news.mit.edu/2024/mars-missing-atmosphere-could-be-hiding-plain-sight-0925
Origin of Life on Mars: Suitability and Opportunities - PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8227854/
Can Mars Hold An Atmosphere - Consensus Academic Search Engine, https://consensus.app/questions/mars-hold-atmosphere/
The Great Oxidation Event: How Cyanobacteria Changed Life, https://asm.org/articles/2022/february/the-great-oxidation-event-how-cyanobacteria-change
Great Oxidation Event - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Oxidation_Event
en.wikipedia.org, https://en.wikipedia.org/wiki/Hesperian#:~:text=By%20the%20beginning%20of%20the,deeper%20zone%20of%20liquid%20water.
Explaining persistent hydrogen in Mars' atmosphere - Harvard School of Engineering and Applied Sciences, https://seas.harvard.edu/news/2025/01/explaining-persistent-hydrogen-mars-atmosphere
First Martian life likely broke the planet with climate change, made themselves extinct, https://www.livescience.com/mars-microbes-made-themselves-extinct-climate-change
Composition of Mars - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Composition_of_Mars
Atmospheric Oxidation Drove Climate Change on Noachian Mars - Universities Space Research Association, https://www.hou.usra.edu/meetings/tenthmars2024/pdf/3015.pdf
www.space.com, https://www.space.com/16895-what-is-mars-made-of.html#:~:text=Dusty%20crust,%2C%20potassium%2C%20chloride%20and%20magnesium.
Sulfur on Mars from the Atmosphere to the Core | Request PDF - ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/330045948_Sulfur_on_Mars_from_the_Atmosphere_to_the_Core
What are the metabolic pathways used by microbial communities in the deep subsurface of Mars? - Consensus, https://consensus.app/search/what-are-the-metabolic-pathways-used-by-microbial-/UunvIYZFRiOS7G0XwSW6rA/
Atmosphere of Mars - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Mars
www.civilenvironjournal.com, https://www.civilenvironjournal.com/articles/acee-aid1055.php#:~:text=There%20are%20two%20main%20ways,synthetic%20autotrophic%20strains%22%20through%20the
Microbial metabolism - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_metabolism
Biological carbon fixation - Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Biological_carbon_fixation
Engineering photoautotrophic carbon fixation for enhanced growth and productivity - DiVA portal, https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1278933/FULLTEXT01.pdf
Carbon Metabolic Pathways in Phototrophic Bacteria and Their Broader Evolutionary Implications - PMC - PubMed Central, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3149686/
Oxygen dynamics in the aftermath of the Great Oxidation of Earth's atmosphere | PNAS, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1315570110
Earth's oxygen revolution | Wat On Earth - University of Waterloo, https://uwaterloo.ca/wat-on-earth/news/earths-oxygen-revolution
Earth organisms survive under Martian conditions: Methanogens stay alive in extreme heat and cold | ScienceDaily, https://www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140519114248.htm
Methane and life on Mars, https://lcd-www.colorado.edu/~axbr9098/teach/ASTR_2040/material/additional_material/Levin+Straat09.pdf
1 Atmospheric processes affecting methane on Mars, https://elib.dlr.de/142484/1/Grenfell_methane_Mars_2022.pdf
Is there methane on Mars? - University of Washington, http://faculty.washington.edu/dcatling/Zahnle2011_Mars_CH4_Doubts.pdf
Acetogenesis in the Energy-Starved Deep Biosphere – A Paradox? - Frontiers, https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2011.00284/full
Sulfate Reduction: A Model for Subsurface Martian Life - ResearchGate, 2025, https://www.researchgate.net/publication/234271612_Sulfate_Reduction_A_Model_for_Subsurface_Martian_Life
5 Escape of Atmospheres to Space, https://geosci.uchicago.edu/~kite/doc/Catling_and_Kasting_ch_5.pdf
